盧孔寶，陳華勇

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310018)

隨著全球氣候的變化以及人為破壞環(huán)境的影響，近年來地震等自然災害頻頻發(fā)生，這類災難造成了人員傷亡、財物被毀等巨大損失.然而災難導致的路面坍塌、房屋摧毀、山體滑坡等現(xiàn)象，阻礙了救援人員的救援，同時也給救援人員的人身帶來了安全隱患[1].采用救援機器人進行輔助搜救、發(fā)送受災畫面、提供災情數(shù)據(jù)是目前常見的一種有效手段.因災后環(huán)境惡劣、地面復雜，對救援機器人的越障能力和機器人的適應能力都有很高的要求[2].機器人要完成穿越廢墟、自主搬運障礙物、發(fā)送所需信息等工作，從而給救援提供有效方案制定和爭取寶貴救援時間提供參考和幫助.因此研發(fā)適應復雜惡劣環(huán)境的救援機器人具有一定現(xiàn)實意義.

1 傳統(tǒng)救援機器人行走結構分析

現(xiàn)有傳統(tǒng)的救援機器人行走機構主要有輪式、履帶式、腿足式等.這些行走機構在復雜道路環(huán)境下都有各自的優(yōu)點，同時也存在不足之處，選取了常見行走機構對地面適應性、越障能力、經(jīng)濟性和加工裝配方面等進行分析，以此為依據(jù)提出優(yōu)化設計的方案.

1.1 輪式行走機構

輪式行走機構機械機構相對簡單，通常適應在道路相對平坦的場合，其越障能力主要取決于輪子直徑和電機驅(qū)動力，由于其行走主要依靠輪子與地面的線接觸，其適應能力相對較差，但該行走機構具有加工裝配比較方便，費用低廉等特點[3].

1.2 履帶式行走機構

履帶式行走機構其行走主要依靠履帶與地面的面接觸，對于泥濘道路、凹凸不平路面、小程度的坍塌路都能適應，其適應能力相對較好，越障能力也大大優(yōu)于輪式行走機構，但履帶行走機構底盤高度會影響其越障能力.該行走機構加工裝配相對簡單方便，費用也適中.

1.3 腿足式行走機構

這種行走機構靈活性很強，適合復雜的道路，但由于其結構重力集中在腿足上，容易被松軟地面和廢墟堆雜物中陷住、卡住，且行走時要隨時調(diào)整機構重心達到平衡，同時這種行走機構制造成本較高，裝配要求較高.

綜合上述幾種常見行走機構，在適應性、越障功能、制造成本等方面進行了綜合評價(見表1).

表1 常見行走機構綜合評價指標

通過常見行走機構綜合評價指標，發(fā)現(xiàn)履帶式的行走機構相對適合災后環(huán)境中行走，但還存在一定缺陷，需要在傳統(tǒng)履帶式行走機構的基礎上進行優(yōu)化設計，提出了行走機構的本體進行伸縮可變，一定程度上可避開及其惡劣的道路環(huán)境，由此提高行走機構的越障能力和適應性.

2 災后救援機器人結構設計

2.1 救援機器人整體方案設計

為了爭取救援時間，救援機器人需要快速、平穩(wěn)的通過救援通道，有時甚至需要穿越河道、坍塌路面等復雜道路.為適應復雜路況擬設計的機器人采用履帶式行走機構，為了便于靈活操作兩側(cè)履帶各設電機驅(qū)動，便于實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，行走機構本體設計成可伸縮式，并設計頂升機構，使行走機構伸縮更靈活同時減輕伸縮電機負載，達到根據(jù)路面情況隨時調(diào)整行走機構尺寸的功能，提高機器人對復雜路面的適應性.

救援機器人除能通過復雜路面外，更重要的是利用機械手開展救援工作，機械手可實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，完成快速定位、抓取、救援等工作.整體設計方案(見圖1).

圖1 災后救援機器人整體設計圖

2.2 機器人行走車架體設計

機器人行走車架體主要由車架伸縮裝置、行走裝置頂升裝置等組成車架伸縮裝置主要由齒輪齒條嚙合機構實現(xiàn)，電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪與齒條1、齒條2嚙合，并帶動兩齒條反向直線運動，實現(xiàn)行走機構的伸縮功能，為保證傳動的穩(wěn)定性，在齒條上設有依靠導向塊，保證兩齒條移動的平穩(wěn)性[4].實現(xiàn)左右履帶以行走機構為中心勻速伸縮，確保機器人在復雜道路上保持平穩(wěn).

車架伸縮裝置的兩側(cè)為行走裝置，其設有兩組同步帶輪，每組帶輪上安裝同步齒形帶，兩組前側(cè)主動輪由電機帶動實現(xiàn)行車機構的前進、后退、差速轉(zhuǎn)彎等功能.

在平整路面車架伸縮裝置可輕松的將車體兩側(cè)車輪推出，但如機器人處于復雜路面時，由于地面不平整、不規(guī)則，行走裝置左右移動的阻力大大增加，很難實現(xiàn)車架伸縮功能，為解決這一技術難題，在車體底部設計頂升裝置，依靠電機帶動頂升齒輪，頂升齒輪與頂升齒條嚙合，頂升齒條將車體頂升，減少履帶與地面的摩擦阻力，從而輕松實現(xiàn)車架伸縮功能.機器人行走車架體建模及結構(見圖2).

2.3 救援機械手的設計

救援機械手在該救援機器人中的作用主要是搬除障礙物、傳遞救援物資等作用，因救援特殊性所需的機械手需具備實現(xiàn)快速抓取不同形狀、不同規(guī)格物體等功能[5].救援機械手采為“夾持式”抓取，手指圓弧形，其結構形式為兩平行四桿機構，通過扇形齒輪傳動，實現(xiàn)手抓的夾持與分開，從而完成救援工作.救援機械手建模及結構(見圖3).

①-右側(cè)從動輪；②-右側(cè)主動輪；③-履帶；④-底盤；⑤-抬升電機；⑥-抬升電機安裝板；⑦-頂桿；⑧-左側(cè)主動輪電機；⑨-伸縮齒條；⑩-行走機架體；-伸縮裝置電機；-定位塊圖2 機器人行走車架體

①-轉(zhuǎn)臺電機；②-腕部電機；③-轉(zhuǎn)臺；④-臂部電機安裝板；⑤-機械手臂連接板；⑥-機器人臂部關節(jié)；⑦-機器人腕部關節(jié)；⑧-機械手固定塊；⑨-手指關節(jié)連桿；⑩-手指關節(jié)；-連接件；-機械手電機；-腕部電機；-聯(lián)軸器；-調(diào)整塊圖3 救援機械手

救援機械手主要由轉(zhuǎn)臺、腕部關節(jié)、臂部關節(jié)、機械手指等組成，均有電機實現(xiàn)其關節(jié)的運動.可實現(xiàn)360°無死角的救援工作開展.由轉(zhuǎn)臺、腕部關節(jié)實現(xiàn)大致定位，調(diào)整臂部關節(jié)實現(xiàn)精確定位，機械手指實現(xiàn)抓取、救援工作.

救援機械手動作分析，轉(zhuǎn)臺與鏈接底板相連，通過電機可實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，腕部關節(jié)一側(cè)轉(zhuǎn)臺鉸接另一側(cè)與臂部關節(jié)鉸接，電機傳遞動力可實現(xiàn)機械手臂大幅度的調(diào)整方位.臂部關節(jié)的另一側(cè)與機械手指實現(xiàn)固定連接.電機傳遞動力可實現(xiàn)機械手的微調(diào)實現(xiàn)較高精度的定位.救援機械手指通過扇形齒輪、連桿機構實現(xiàn)張開和收攏.

2.4 驅(qū)動電機扭矩計算

災后救援機械手各個關節(jié)均有電機控制其運動，為使救援機械手能有效抓取救援取物，故電機的驅(qū)動力需要進行計算.其中救援機械手指和救援機械手腕部電機相對重要需根據(jù)計算選型，均可參照腕部電機的計算方法進行選型即可[6].

(1)救援機械手指驅(qū)動電機計算

救援機械手夾緊力約束主要是消除物件在手指中的移動，從而判斷手指對物件的約束是否可靠時，一般要考慮手指與物件的接觸狀態(tài)夾緊力的大小、方向和作用點等[7].機械手指關節(jié)部分結構(見圖4).

圖4 機械手指關節(jié)部分結構示意圖

所設計的救援機械手兩手指內(nèi)側(cè)之間距離：L=30 mm；扇形齒輪半徑：R扇=20 mm；支點與手頂端距離為：b=40 mm.預所夾持最大重物：1 000 g，即G=20 N；

查手冊得金屬與木制物品之間靜摩擦系數(shù)：f=0.5；

救援機械手指所需的夾緊力：

(1)

根據(jù)公式：

F軸×R扇=F×b

(2)

F軸=40 N，設F′為齒輪圓周力

F×sinγ×cosγ=F軸

(3)

解得F′=250 N.

所設計的扇形齒輪半徑R扇=0.02 m

救援機械手指驅(qū)動力為：

M=F′×R扇=5 N·m

(4)

(2)救援機械手腕部電機驅(qū)動力計算

救援機械手手腕電機驅(qū)動力計算需考慮眾多因素，查機械設計手冊，機械手臂腕部驅(qū)動驅(qū)動力矩可按式(5)進行計算：

M驅(qū)=M慣+M偏+M摩

(5)

其中：M驅(qū)—驅(qū)動手腕擺動的驅(qū)動力矩，N·cm；

M慣—慣性力矩，N·cm；

M摩—手腕處與前臂端部的摩擦阻力距，N·cm.

①手腕加速運動時產(chǎn)生的慣性力矩:

設手腕擺動是的角速度為ω，啟動所用時間為Δt，則：

M慣=(J+J1)ω/Δt

(6)

其中:J—參與手腕擺動部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量,N·cm；J1—工件對手腕擺動軸線的轉(zhuǎn)動慣量,N·cm.

②手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩：

M偏=G1e1+G2e2(N·cm)

(7)

其中：G3—手腕擺動件的重量，N;

e3—手腕擺動件的重心到擺動軸線的偏心距，N.

當工件的重心與手腕的擺動軸線重合時，則：G1e1=0

③手腕擺動軸在軸頸處得摩擦阻力距M摩與選用的各裝置類型有關.

綜合式(5)～式(7)的力矩計算，救援機械手手腕電機驅(qū)動力12 N·cm.

3 救援機器人運行與實驗

救援機器人進行了樣機制作(見圖5)，并對其進行了多次運行與調(diào)試，救援機器人可輕松實現(xiàn)行走裝置的伸縮功能，運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向靈活，適應在坑洼路面、廢墟堆等復雜路面前行[8].動力源采用24 V直流電機，行走速度可達18 m/min，機械手可抓取不同規(guī)格的圓柱體、長方體等物.抓取最大重量可達1 kg，抓取圓柱體直徑范圍15～105 mm，抓取長方體規(guī)格15 mm×15 mm～95 mm×95 mm，伸縮行程最大可達85 mm，伸縮功能最長耗時1.5 s.救援機器人各種救援姿態(tài)(見圖6).

圖5 災后救援機器人實物圖

4 結 語

本文對災后救援機器人的機械結構進行了設計，并試制了樣機進行了調(diào)試和實驗，實驗結果表明所設計的救援機器人道路適應性強，運動靈活，機械手可抓取不同形狀、多種規(guī)格的物體.該救援機器人可進入災后道路復雜的地段，為災后救援、搜尋被困人群等提供幫助，加裝攝像頭等功能可傳遞災后現(xiàn)場照片，為進一步救援方案的制定和實施提供數(shù)據(jù).對同類救援機器人的開發(fā)研制具有一定借鑒意義.

參考文獻：

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[8] 李起偉,張立亞.礦山應急救援機器人全局路線規(guī)劃的研究[J].煤炭技術,2016,35(8):249-251.